第九期 J443規范關于噴丸強度測試方法的進化指南
發布時間:2016/9/26 11:13:27

引 言                                                                                                        

    關于規定標準噴丸測試試片使用方法的J443規范最早是在1952年1月份面世的。J443規范作為SAE(美國汽車工程師學會)推薦的實用文件,其中已經奉為經典的各種準則已廣泛地應用于噴丸工業領域。隨著噴丸實踐以及技術的不斷進步,J443規范也歷經了幾次升版的歷程。升版的時間分別為1961、1984、2003以及2010年。目前最新的版本還在制定過程中。J443規范是一個重要且有著明確定義的噴丸強度測試的指南。

    本篇文章嘗試著把J443規范的升版歷程對噴丸強度測試的影響,這個歷史過程還原出來。J443規范未來的發展一定要考慮新技術以及更為先進的方法等因素。

J443 1952

    J443規范的最早版本產生于和我們現在完全不同的時代。在那個時代,人們所掌握的知識是比較有限的,而且相關的概念還只是停留在最初形成的階段。在那個時候,只能使用尺子和對數表,用印刷模板的方法刻字和繪圖。采用非常費力的手工處理方法進行統計分析,因此相關的實際應用非常少。

    該標準中推薦了關于噴丸強度測試的兩個可選的方法-“基于弧高值和噴丸時間關系的噴丸強度測試方法”以及“基于覆蓋率測試的噴丸強度測試方法”。

基于弧高值和噴丸時間關系的噴丸強度測試方法

    這個大家比較熟悉的方法是基于阿爾門弧高值和噴丸時間的關系圖。如圖1所示。

    1952年版本中的圖示(圖1)現在看起來有點奇怪。那時已經可以用平滑的曲線把分段的曲線較好地連成一個整體。曲線一般是用鉛筆進行手繪然后用墨水在描圖紙上進行復印。圖1顯示出的曲線形狀和用真實數據擬合出的曲線形狀明顯不同,不同之處主要是該曲線的前段部分斜率太高了太陡峭了。圖1中六個點對應的噴丸時間分別是1、2.5、5、20、60和220。在實際應用中,噴丸時間范圍從1到220好像不太可能。圖1上的六個“實際點”好像是加在事先畫好的曲線上,六個點對應的弧高值不太可能為真實的阿爾門試片數據。如果在曲線擬合時考慮真實數值的變化性,那么圖1不再使用。當時之所以用圖1表示可能是故意地把圖示簡化,避免因為數據點變化以及相應的修正而把問題變得更加復雜。

 

    在圖1中出現了“噴丸強度”和點“A”。“噴丸強度”就是曲線上六個真實點中的第四個點。這個第四個點正好是當噴丸時間增加一倍時,弧高值的增加量正好等于或小于10%的第一個點,由此可見10%法則最早出現在1952年。點“A”是曲線上的一個點(不是“真實點”),但該點并沒有明確的位置,也沒有相應的說明,因此該點的具體意義現在很難去判斷。

    在1952版J443標準的文中有這么一段話:“與曲線中點A相對應的測具讀數通常被認為噴丸強度的測試值。在某些應用中該點很難找出,因此需要進行細致的判斷”。然而在圖1中的噴丸強度值卻是“真實值”,這個“真實值”在文章中并未提及。這種圖文不一致的情況對噴丸強度的定義有點模棱兩可。

    1952版J443標準中的圖2如本文的圖2所示。在圖2中,數據的變化性有所體現,但在文章中并未提及此變化性。該圖的作用就是解釋如何調整噴丸參數以獲得所需要的噴丸強度。這三個曲線中分別包含9、8和7個點。每個曲線和圖1中的曲線一樣,噴丸時間的范圍都非常的大。

 

另外一種方法:基于覆蓋率測試的噴丸強度測試方法

    噴丸強度測試的另外一種方法表明噴丸強度的定義可以采用不同的方式。這種方法設定噴丸強度可以用以下三個條件進行定義:試片類型,弧高值和覆蓋率百分比,例如“0.010,A-2和98%覆蓋率”。

推薦的方法可以概況如下:

    (1)把一個阿爾門試片的表面進行拋光,然后用已知較短的噴丸時間對該試片進行噴丸,然后對試片表面的覆蓋率進行測試。覆蓋率的測試方法是把試片放入金相顯微鏡中,把透明的紙放在試片之上,然后用比較尖的鉛筆在該透明的紙上把噴丸產生的凹坑圈出來。用面積儀把凹坑的尺寸測算出來并最終計算出凹坑面積占試片總面積的百分比。

    (2)計算出來的覆蓋率和相對應的噴丸時間用來確定覆蓋率是否達到要求的值(比如98%)。

    (3)用由步驟(2)確定的噴丸時間在一個沒有拋光的阿爾門試片進行噴丸,觀察噴丸后的弧高值是否滿足要求。

    (4)如果測量出來的弧高值不滿足要求,那么需要調整設備參數并重復(1)~(4)的步驟。

    覆蓋率和噴丸時間的關系可用下式表達:

C2=1-(1-C1n

    其中C1為一個周期噴丸時間后的覆蓋率百分比,%

    C2為n個周期噴丸時間后的覆蓋率百分比,%

    n為噴丸周期數

    圖3顯示了噴丸時間和覆蓋率之間的關系。

 

    圖3中的曲線滿足下面的表達式:

C%=100(1-0.756n)

    在1952版J443標準中的第7段關于圖3進行了相應的解釋:假設所需要的條件為0.010,A-2和98%覆蓋率。進一步假設在第一個周期噴丸后的覆蓋率為76%。如果以圖3的數據為準,那么一個周期相當于T=5。當T=14時,可以達到98%的覆蓋率,也就是說噴丸周期需要增加到14/5=2.8倍時,覆蓋率為98%。這就是后續決定弧高值大小的所需時間。

    這種方法雖然看起來不太適用于車間批產的場合,但是其確實也有著獨特的優勢,即噴丸強度是唯一的,而不是要從飽和曲線圖中選擇一個點出來(這個點相對來說不是唯一的,比較模糊)。

J443 1961

    1961版J443標準與1952版相比,只在兩個介紹性的段落中提到了噴丸強度單位可分為N、A和C型三種類型,標準中的其它內容都一樣。因此該版本的標準不認為是1952版本的替代。1952年到1961年間,圖解和計算方法的進步很小,口袋計算器那時還沒有出現。

J443 1984

    本版的規范已在聲明中指出就是要替代1952版的規范。

    本版規范從內容上有了比較大的擴充,從1952/1961版本中的2頁擴展到了6頁。另外,在本版規范中也引用了其它的規范,其中包括SAE J442,SAE J784a和SAE J808a。還有一個規范SP181作為僅供參考,并不作為本版規范的一部分。

    之前版本規范中的圖示只是進行簡單的復制,但是在1961年以后,計算方法已經有了很大的進步,例如在X射線衍射測試中,用最佳擬合的曲線來精確地找到衍射峰。所采用的設備(例如計算機和可編程的口袋計算器)可以消除手工方法的繁瑣。年齡稍微大一些的讀者可能還記得Commodore64位電腦在當時最為熱銷。

    在1984版的J443標準中的圖1,在本文如圖4所示。從圖4可以看出,曲線上同樣有六個點,且形狀和之前的版本一樣。在六個點之后有一段虛線代表了曲線后續的趨勢。所有六個點均落在手繪的曲線上,但是如上所說,對于真實的數據點是不可能的。噴丸強度和點“A”仍然保存了下來。

 

    在1984版的J443標準中的圖1中(本文中的圖4)增加了“當噴丸時間增加一倍時弧高值增加小于等于10%”和“對于非關鍵零件,可以用20%法則”這兩句話。對于點“A”進行了明確了定義,即點“A”不是六個“真實點”的一個點,是曲線上選出的一個點。但本版本的標準中沒有提到計算曲線擬合的方法,雖然這種方法在其它的技術中得到了普遍應用。

    在1984版的J443標準中對“強度”進行了描述和定義:

    噴丸強度(例如,12A)是通過繪制飽和曲線的方法獲得的一個弧高值,解釋如下:

    一系列的弧高值和所對應的噴丸時間可以用來繪制飽和曲線。采用相同的噴丸參數,不同的噴丸時間,對一組的阿爾門試片進行噴丸,然后以時間為橫坐標、弧高值為縱坐標繪制一條曲線。一組噴丸后的阿爾門試片的數據點可以繪制出類似于如圖4的曲線。當曲線上的“膝點”過后并且噴丸時間再有相應的延長(相應的弧高值也會有一定的增長),飽和點就會出現。圖4中膝點的位置,即點“A”可以定義為當噴丸時間增加一倍時,弧高值的增加不超過一個特定的百分比(X%)的點。

    在上述的目的性很強的定義中少了一個關鍵的詞,就是在最后一句話中少了一個“第一個”。如果加上后,內容就變成了:“圖4中膝點的位置,即點‘A’可以定義為當噴丸時間增加一倍時,弧高值的增加不超過一個特定的百分比(X%)的第一個點”。如果加上了“第一個”,那么將會避免后來的種種誤解。加上了“第一個”,說明飽和點(噴丸強度)是唯一的值。如果沒有“第一個”,那么飽和點(噴丸強度)就不是一個唯一的值,而是一個區間范圍。

    在本版標準中,用“飽和”來定義噴丸強度,然后用“飽和曲線”來描述圖4中曲線的形狀。用“飽和”這個詞來表達容易引起歧義,這是因為大家所普遍理解的“飽和”的含義并沒有出現。“飽和”經常用來描述達到極限的情況,然而這種極限情況并沒有出現噴丸的任何一個階段。也許,用“強度決定曲線” 會比“飽和曲線”更好。

 

    在1984版的J443標準中的圖2,圖5仍然使用的是以前的版本,但是也稍作了一些修改,包括去掉了一些低于噴丸強度的數據點,曲線顯得更加的平滑一些,并增加了“弧高值小于等于10%”等一些文字的說明。關于如何調整束流的噴丸強度的解釋說明和之前版本的內容也是相似的。

    本版標準對通過表面覆蓋率確定噴丸強度的方法進行了一定的延伸,但是并沒有規定其是“基于覆蓋率測試的確定噴丸強度的另一種方法”。共介紹了五種通過表面覆蓋率確定噴丸強度的方法,其中的一種和1961版本的方法是相同的。

J443 2003

    該版本聲明是替代了1997版J443標準,但是這是不正確的,因為了1997版J443標準從未正式發行過,因此從官方上來講其應該是代替了1984版本的J443標準。修訂后的標準僅有四頁,關于覆蓋率測試的方法合并到了“J2277噴丸覆蓋率”的標準中并在該標準中進行了引用。另外一個引用的標準是J442。

    該標準中的圖1與之前的版本相比(本文中的圖6)發生了變化(這在過去的超過50年中是第一次),從形狀上來看與之前的版本非常不一樣,倒和1952版J443的圖3覆蓋率曲線十分的相似。該圖的命名為“飽和曲線”而不是“噴丸強度決定曲線”。該圖在SAE關于噴丸的手冊HS-84中也出現過。

 

    在圖6中可以看到總共有6個點,所有的六個點都非常接近曲線。從坐到右六個點與曲線的差異為“曲線下,曲線上,曲線中,曲線下,曲線中,曲線上”。這個順序在統計學中來看是不太可能出現的。

    關于噴丸強度的定義如下內容所示:

    “當曲線上的‘膝點’過后并且噴丸時間再有相應的延長(相應的弧高值也會有一定的增長),飽和點就會出現。圖6中膝點和飽和點可以定義為當噴丸時間增加一倍時,弧高值的增加不超過10%的第一個點。”

    非常幸運地,“第一個”這個詞終于出現了,但是在這個定義中其它的問題又出現了,主要是:(1)該簡單指數函數形狀的曲線并未有“膝點”;(2)“曲線上的第一個點”的描述是含糊不清的。在圖6中“飽和點”恰好出現在“真實點”上,這和之前的版本是不一樣的,有可能會導致對噴丸強度的定義有不同的解讀。例如,選擇六個真實數據點中的第一個當噴丸時間增加一倍時,弧高值的增加小于等于10%的“真實數據點”作為噴丸強度。在圖6中T和2T對應的點也剛好為真實數據點。

    在之前版本中出現的圖2(即顯示設備參數如何影響噴丸強度)并沒有出現在該版本中。可能是認為標準使用者并不需要了解通過如何調整設備參數來影響噴丸強度方面的內容。

    J443 2010

    該版本聲明是替代了2003版J443標準,共有六頁且有三個引用的規范,包括:

    SAE J442 噴丸用的測試試片、夾持器和測具;

    SAE J2277 噴丸覆蓋率的測試方法;

    SAE J2597 計算機生成噴丸飽和曲線。

    本版標準與之前版本相比主要有以下三個變化:

    (1)該標準圖1—去掉了“等于或小于10%”中的“小于”,這樣從一個給定的飽和曲線中就只能得到唯一的一個噴丸強度值;

    (2)該標準圖2-該圖為飽和曲線的另一種特殊情況,就是不存在時間增加一倍,弧高值增加大于10%的點,那么如果出現該情況,噴丸強度定義為該曲線上的第一個數據點;

    (3)段落7.3—在噴丸強度測試中經常用到多個阿爾門固定器。在每個固定器位置的噴丸強度必須滿足相應的要求。而每個固定器位置的飽和時間不是唯一的…...。

    J443 2010中的圖1

    J443 2010中的圖1在本文中如圖7所示。該圖中的曲線是拷貝2003版J443圖1的,但是卻消除了在2003版J443中出現的容易令人產生誤解的問題。圖7去掉了之前的兩個點(即噴丸時間1T和2T對應的點),只剩下四個點,這消除了噴丸強度必須是真實數據點的誤解。“增加10%”用于確定曲線上的唯一的一個點,通過這個點來確認噴丸強度水平。這也就消除了第二個誤解。圖7中的特征曲線定義為“類型1”,這是為了與新的特征曲線“類型2”進行區分。在本版標準中首次提到了計算機方法:推薦用計算機按照SAE J2597標準生成飽和曲線的方法。



 

    J443 2010中的圖2

    另外一種形狀與圖7相比完全不同的飽和曲線如圖8(J443 2010中的圖2)所示。圖8也是一個理想的形狀,因為圖中的“真實”數據沒有任何變化性。之所以使用“類型2”飽和曲線,這是因為在實際試驗過程中會遇到當設定最小的噴丸時間/周期時,所得到的弧高值仍然高于噴丸強度點,那么就用最小的噴丸時間/周期所對應的弧高值作為噴丸強度。在該類型的曲線中,沒有任何點當時間增加一倍時,弧高值的增加量超過10%。

    采用這種特殊的飽和曲線(“類型2”)計算出來的噴丸強度可能比正常的飽和曲線(“類型1”)計算出來的噴丸強度要高,但是本版標準并未給出形影的“修正”的方法。

    第7.3節—當用多個固定器時噴丸強度的確認

    本節討論的是另外一個主題,即當使用多個固定器時在過程檢驗中如何確認噴丸強度。每個固定器對應的飽和時間T都是不同的。在噴丸強度的過程檢測中,每個固定器只能固定一個試片,因此本規范推薦用唯一的一個噴丸時間來確定噴丸強度,應該選取由飽和曲線確定的飽和時間中的最長的那個,或者其它客戶認可的時間。使用唯一的噴丸時間在每個試片上進行噴丸,所得的弧高值應該滿足要求的范圍,即每個噴丸后的試片的弧高值與原始噴丸強度相比應在±0.038mm(±0.0015英寸)的范圍以內。

 

討論和結論

    J443標準在可控噴丸中起到了核心的作用。J443標準從1952年到現在的進化有著很多令人欣慰的方面。以現在的眼光批評和評價之前的標準是容易的,因此在本篇文章中出現的任何的批評的內容都不是故意的。在任何領域中的委員會都會遇到意見不統一的問題,然而J443委員卻能夠成功的不斷提煉和改進噴丸強度的測試方法并能夠把新的分析技術融入其中,是非常值得肯定的。


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